地下结构的振动特性

摘 要 近年来，地下结构在能源、交通、通讯、城市建设和国防工程等方面获得广泛应用。随着工农业生产的发展和城市化程度的不断提高，地下结构的重要性也日益明显。长期以来，人们普遍认为地下结构的数量较少，地下结构的抗震性能又优于地面建筑，因此，地震对地下结构所造成的危害较地面建筑要小。但近年来，随着地下结构震害的频繁发生，因此本文就地下结构的振动特性进行了浅略的探讨。 文章涉及到了地震对于地下结构的迫害及其震害特性，介绍了目前地下结构的抗震研究和抗震分析方法，并结合相关规范探讨了地下结构的抗震计算方法。

第Ⅱ页 目 录

第一章 绪论 .......................................................... 1 1.1 引言 ........................................................ 1 1.2 地震对地下结构的破坏及其震害特点 ............................ 1 1.3 地下结构抗震研究 ............................................ 2 第二章 地下结构振动特性 .............................................. 4 2.1 地下结构动力反应特点 ........................................ 4 2.2 地下结构动力分析方法简介 .................................... 4 2.3 地下结构抗震分析的基本方法 .................................. 5 第三章 地下结构抗震计算方法 .......................................... 9 3.1 现行地下结构抗震设计方法 .................................... 9 3.1.1 地震系数法 ................................................ 9 3.1.2 不考虑相互作用的拟静力法 ................................. 10 3.1.3 考虑相互作用的拟静力法 ................................... 11 3.1.4 动力有限元法 ............................................. 13 3.1.5 各种设计方法的比较 ....................................... 13 3.2 总结 .......................................................... 13

第1页 第一章 绪论 1.1 引言 近几十年来,地下结构在城市建设、交通运输、国防工程、水利工程等各个领域得到了越来越广泛的应用，尤其是在城市交通领域，以地下铁道为骨干的大运量快速公共交通系统已经成为城市客运交通问题重要的解决途径，我国的地铁建设得到了迅猛的发展，我国已经进入了地铁工程建设的高峰时期。以北京为例，目前北京市地铁线路总长142 km(包括地面轨道线路)，按照北京市轨道交通建设规划，至2015年，北京市累计开通线路总长将达到561 km；远期规划地铁线路共22条，总里程为1100 km[3-5]。与此同时，近20年来，除地铁工程之外的其他地下结构也得到了极大规模的发展，其中包括铁路公路隧道、国防和人民防空工程、大型水电站地下厂房洞室结构、矿山井巷、地下商业街和地下车库等。在我国，随着城市化水平的快速提高，城市人口、城市规模和生态环境面临着巨大的压力，而地下空间的开发和利用正是缓解地上空间各种压力的直接而有效的途径。事实表明，已经建成的各种地下结构与地下空间在缓解地面交通压力、改善人居环境等方面起到了巨大的作用，对城市和社会的发展做出了巨大的贡献。我国地下空间、地下结构开发利用的潜力还很大，在21世纪，地下结构、地下空间工程建设将得到更大程度的发展。 同时我国又是多地震国家，大部分地区为地震设防区，随着地下结构建设规模的不断提高，地下结构的抗震设计及其安全性评价日益受到重视。例如，拟建中的京沪高速铁路穿越长江的沉管隧道，管段之间的接头部位以及沉管与竖井的联接部位是抗震设计的重点；南水北调中线穿越黄河工程就位于高烈度地震区内，而且要穿过液化土层，同时地下结构一旦发生震害，修复困难，增加了问题的复杂性，这些使地下结构的抗震设计的研究成为十分必要。 1.2 地震对地下结构的破坏及其震害特点 二十世纪，全球发生过许多地震，对地下结构造成了不同程度的损害。下面对己有震害的调查及资料分析，地下结构的损害，归纳其震害特点有以下几点: (l)穿越断层和破碎带的隧道和地下建筑会遭到严重破坏，靠近断层处的衬砌在与隧道轴垂直的平面内会发生较大的横向和竖向的错位;

第2页 (2)一个隧道的总体坍塌总是与横穿断层的活动有关，地面加速度小于0.5倍重力加速度时，单靠振动而引起坍塌的可能性较小; (3)修建在松软堆积物中的地下工程比修建在坚硬岩石中的破坏大; (4)破坏随覆盖厚度的增加而减小; (5)结构的破坏与地面峰值加速度有关，峰值加速度取决于地震震级和震中距; (6)衬砌厚度较大的地段损坏的百分率大于厚度较小的地段。 (7)隧道洞口是经常受到地震破坏的地段。 (8)距震源50km以外的隧道未受到损坏。 (9)在有限的资料范围内，还看不出不同的内部支护形式对破坏程度有重要影响，地震破坏。 (10)在同一烈度条件下，地下结构的破坏程度远远小于地面建筑物。 1.3 地下结构抗震研究 详细地研究地震对地下结构的振动作用，可采用两种方法:地震动力响应分析和动力模型试验，通过这些分析和试验可以弄清楚隧道横、纵断面应力的响应，动土压力和各种接头的抗震性。但此时必须要详细掌握隧址处地层的动力特性参数，如地层的动弹性模量、阻尼系数、动强度等以及地震时地层运动信息，如地震加速度等。同时还要求有容量足够的计算机和较长的计算时间。故只有那些埋设于松软地层中的重要的地下结构物才有必要和可能来进行地震响应分析和动力模型试验。在我国现阶段，对于一般的地下结构物的抗震设计大都采用实用的方法。即静力法或拟静力法。即在衬砌结构横截面的抗震设计和抗震稳定性检算中采用地震系数法或称惯性力法;检算衬砌结构沿纵轴方向的应力和变形则采用地层位移法，此法系以地基变形为输入的，不考虑衰减系数的静力解，故又称为拟静力法。静力法或拟静力法就是将随时间变化的地震力或地层位移用等代的静地震荷载或静地层位移代替，然后再用静力计算模型分析地震荷载或强迫地层位移作用下的结构内力。实用方法中都采用了许多假定和简化，通过对地下结构的地震观测，得出如下结论: (l)地下结构(隧洞，管道等)中没有发现共振响应。 (2)隧洞、管道(地下埋设结构，下同)等的地震波形和周围土介质中的地震波

第3页 形基本相符，支护中地震加速度近似等于或略小于介质中的地震加速度。 (3)隧洞、管道中的轴向应变一般比弯曲应变更起控制作用，而周向应变则大于轴向应变。地震波的短周期分量一般不产生较大的应变，主要的应变分量为长周期应变，由长周期波产生。 (4)隧洞断面在地震中的变形，在地表层的卓越周期范围内，可以认为是由剪切波垂直向上传播所造成的，也可由表面波沿地表传播而形成。 (5)隧洞等地下结构中的柔性接头或铰接等在距接头一定范围内有减缓隧洞应变的作用。 (6)根据沿隧洞轴向测点的观测结果表明，隧洞的拉、压变形沿轴向是比较均匀的，但各点的弯曲应变则相差较大，可以认为，周围地层变化对弯曲变形产生的影响较轴向拉压变形的影响大得多。

第4页 第二章 地下结构振动特性 2.1 地下结构动力反应特点 由1995年日本发生阪神大地震,各种地下结构和地下设施均遭受到严重的破坏,明开挖施工的神户市地铁系统结构首次造成严重的破坏,其中大开站(DAIKAI)和上尺站(KAMISAWA)遭到彻底的破坏,有一大半中柱倒塌,顶板塌陷,侧墙出现大量宽大裂纹,造成地铁上方的国道路基大量塌陷,有的塌陷深度达15 m,致使日本南部交通瘫痪。 从阪神大地震和以往的震害报道中可以看出,地下结构与地面结构的振动特性有很大的不同[1]: ①下结构的振动变形受周围地基土壤的约束作用显著,结构的动力反应一般不明显表观出自振特性的影响; ②地下结构的存在对周围地基震动的影响一般很小(指地下结构的尺寸相对于地震波长的比例较小的情况); ③地下结构的振动形态受地震波入射方向的影响很大,地震波的入射方向发生不大的变化,地下结构各点的变形和应力可以发生较大的变化; ④地下结构在振动中各点的相位差别十分明显,地面结构各点在振动中的相位差不很明显； ⑤地下结构在振动中的应变一般与地震加速度的大小联系不很明显; ⑥地下结构的地震反应随埋深发生的变化不很明显; ⑦对地下结构和地面结构来说,它们与地基的相互作用都对它们的动力反应产生重要影响,但影响的方式和影响的程度则是不相同的。 2.2 地下结构动力分析方法简介 研究结构动力分析方法可概括为理论方法、原型测量和室内实验三类。其中室内实验主要是对地基土的物理力学性质的测定，以确定理论分析模型的参数。由于对无限地基辐射阻尼模拟的困难，模型试验方法并未得到显著的发展。原型测量包括激振试验和强震观测两个方面，近年来得到了一定的发展，但在验证地下结构动力分析问题的理论模型方面的研究成果还不多。在理论方法中按求解方法分，主要有解析法、数值法以及数值一解析结合法等.由于解析法要求简单规则